2.1．DNAを用いた論理素子（分子スイッチ）の開発

DNAの構造多様性を外部刺激によって自在に制御できれば、DNAを細胞内外で応用展開すること
が可能になります。例えば、分子スイッチや動的な分子構造体の構築、、機能性分子の配向化な
どです。将来的には、分子コンピューター、ナノマシーンやナノロボットの開発にもつながるか
もしれません。

そこで、トップダウン技術に代わる方法として、ボトムアップ技術が注目されています。ボトムア
ップでは、分子の自己組織化を利用して、目的の形や機能を設計します。DNAは、他の生体分子と
比較して、塩基配列から構造を設計することが容易であることから、ボトムアップアプローチに適
した生体分子であると言えます。このような研究は、ナノテクノロジーとバイオテクノロジーが融
合した、ナノバイオテクノロジーの中でも多くの研究がすすめられています。特に、DNAを用いた
ナノテクノロジーをDNAナノテクノロジーと呼びます。

我々の研究グループでは、テロメア由来のグアニンに富んだDNA鎖とその相補鎖であるシトシンに
富んだDNA鎖の構造を外部刺激で制御することを試みました。特に、細胞の中と外の環境の違いと
して重要な、カチオン（M⁺)と水素イオン濃度（H+: pH）を用いてDNAの形成する構造を制御する
ことを試みました。その結果、これらの外部刺激の有無によって、DNAの構造を四つの状態に制御
することができました。これを利用することで、現在、半導体ロジックゲート中でも汎用されてい
る論理素子（AND, NAND, OR, NOR, XOR, XNOR）の全ての論理応答を、テロメアDNAで再現できる
ことができました。詳しくはこちら５。

このようなDNAを用いたロジックゲートは、生体適合性が高いことから、生体への応用も期待でき
ます。特に、今回用いた入力（外部刺激）は、細胞内外で変化する環境因子であることから、薬剤
送達システムや機能性分子の制御パーツとしても利用できると考えられています。今後は、このよ
うな構造多様性を、分子集合体へと展開するとともに、細胞内での応用についても検討を進める予
定です。

このような分子（DNA）を使った研究の中でも、注目されているのが論理素子（ロジックゲート）
の構築です。論理素子は、情報処理の最も基本的なデバイスである。論理素子の小型化が、情報処
理機器の高機能化と小型化に必要不可欠です。論理素子は、半導体の微細加工（トップダウン）技
術によって作製されているが、その技術的・経済的限界が近いとされています。